齿轮传动系统的故障诊断方法研究

齿轮传动故障诊断方法研究摘要：机械设备运行中，齿轮传动系统主要通过从动齿轮的啮合传递运动和能量，在此过程中发生一定形式的机械振动。 磨损、点蚀、制造误差、组装误差等齿轮和齿轮传动系统的各种缺陷和故障必然会改变机械振动状态(或信号)。 因此，齿轮传递系统的振动信号中包含其健康状态(无故障和故障)的信息，通过监视振动信号并进行分析，能够诊断齿轮和齿轮传递系统的故障。关键词：齿轮故障诊断振动裂纹目录引言1第一章影响齿轮振动的因素21.1振动的发生21.2振动故障2第二章齿轮裂纹故障诊断42.1产生裂纹的原因42.2齿轮裂纹分类、特点、原因及预防措施42.2.1淬火裂纹42.2.2研磨裂纹42.2.3疲劳裂纹52.2.4轮辋和宽板裂纹6第三章齿轮故障诊断方法与技术展望73.1齿轮故障诊断的方法73.1.1时域法73.1.2频域法73.1.3倒谱分析83.1.4包络分析83.1.5小波分析方法83.2齿轮故障诊断技术展望9结论10谢谢11参考文献12查词典随着科学技术的进步，机械设备正朝着高性能、高效率、高自动化和高可靠性的方向发展。 齿轮具有齿轮比一定、传动扭矩大、紧凑等优点，是传动转速和动力最常用的传动部件，是机械设备的重要组成部分，是容易发生故障的部件，其运行状态对机械整体的工作性能有很大影响。机械设备运行中，齿轮传动系统主要通过从动齿轮的啮合传递运动和能量，在此过程中产生一定形式的机械振动。 磨损、点蚀、制造误差、组装误差等齿轮和齿轮传动系统的各种缺陷和故障必然会改变机械振动状态(或信号)。 因此，齿轮传递系统的振动信号中包含其健康状态(无故障和故障)的信息，通过监视振动信号进行分析，能够诊断齿轮和齿轮传递系统的故障。第一章影响齿轮振动的因素1.1振动的发生在齿轮传动啮合过程中，影响齿轮振动的原因很多，既有大周期误差，也有小周期误差。 产生大周期振动的主要原因是齿轮加工过程中产生运动偏心和几何偏心以及安装过程中产生对中不良小周期振动的主要原因是齿轮加工过程中主轴的旋转误差、啮合刚度的变化、齿轮啮合、啮合冲击、运行过程中产生的断齿、齿根疲劳裂纹、齿面磨损、点蚀剥落、严重粘结等。 其中啮合刚度的周期性变化是齿轮振动的重要激振源之一。 其周期性变化主要是由于参与啮合的单一齿轮刚度随着啮合点位置的变化而变化，二是参与啮合的齿数发生变化。如图1-1所示，在啮合开始时(a点)，主动齿轮齿1在齿根啮合，弹性变形小.从动齿轮2在齿顶啮合，弹性变形大，但啮合结束时(d点)相反. 设齿副I的啮合刚性为k1、齿副o的啮合刚性为k2时，总啮合刚性为k=k1 k2。 根据图11，综合啮合刚性从单啮合区域到双啮合区域周期性地变化。图1-1正齿轮啮合刚度的变化图1.2振动故障当齿轮有大的周期故障时，如运动偏心和几何偏心，仿真的齿轮啮合振动信号的频谱图如图1-2所示。 由图可知，随着齿轮的大周期误差振幅增大，高次谐波分量的振幅也线性增大。 另一方面，以啮合频率为中心的旋转频率为间隔的边带频率通过信号调制产生，即高频齿轮的啮合频率通过齿轮的旋转频率调制，随着较大的周期误差变大而变大。图1-2齿轮偏心时的频谱图齿轮存在点蚀剥落等小周期误差时，模拟的齿轮啮合振动信号的频谱模式如图1-3所示。 当齿轮在运行中存在小周期误差时，齿轮运行速度的大小发生变化，当小周期误差大时，这种现象更加严重。 根据调频理论，齿轮的运行振动信号频谱形成了啮合频率及其谐波与分布于其周围的旋转频率相间隔的边带分量，随着故障的发展振幅增大。图1-3齿轮点蚀剥落故障时的频谱图第二章齿轮裂纹故障诊断2.1产生裂纹的原因出现在齿轮上的裂缝根据其形成特点，可分为2种：工艺裂缝和使用裂缝。 工艺裂纹是由于生产齿轮工艺不当而产生的材料缺陷，在一定的负荷条件下压曲进展而使齿轮产生故障，如铸造裂纹、锻造裂纹、焊接裂纹、热处理裂纹(淬火裂纹)、磨削裂纹等使用裂纹发生在零件的使用过程和环境中，进一步发展而使齿轮产生故障，如疲劳2.2齿轮裂纹分类、特点、原因及预防措施2.2.1淬火裂纹参照图2-1图2-1淬火裂纹特点：淬火时发生，多呈丝状，有时可自行展开。 龟裂有的沿着齿根部圆形的半径方向，有的位于齿的两端面，有的横穿齿顶，有的位于齿端面的表面硬化层和心部的边界。 大裂缝的初始部位有锈蚀和氧化的痕迹。 淬火裂纹也可能在齿轮使用一段时间后出现。 那个很常见是其他损伤形式(疲劳断齿等)的根源。原因：主要是淬火过程中产生过大的内应力。 那通常是升温过急、淬火过急、淬火过缓等不适当的淬火过程引起的。 牙齿端面的裂缝通常是由硬化层与心部边界的相变不匹配引起的。预防措施：按照齿轮材料、尺寸、结构和工作要求制定合理的淬火工艺规程，严格控制，防止淬火速度过高或过低，淬火温度不当。 淬火后的齿轮必须严格检查。2.2.2研磨裂纹参照图2-2图2-2研磨裂纹特点：磨削过程中发生，有与牙面基本平行的短裂纹或网状裂纹。 平行裂纹通常比网格裂纹深。 研磨裂纹一般较浅，肉眼难以发现，因此需要用磁粉探伤或5%硝酸乙醇腐蚀液处理等方法进行检查。 研磨裂纹是潜在的，可能在放置时间和负荷作业后出现。原因可能主要是磨削过程中的热所致，热处理工艺不合理(热处理过程中形成了对磨削过热敏感的金相组织)。 磨削过热可能是磨削工艺参数选择不正确、磨石不合格、选择不当、冷却措施不当等原因。 磨削对过热敏感的齿轮材料容易产生磨削裂纹。预防措施：选择合适的磨削技术，控制进给量和磨削速度，加强冷却措施，选择不易破裂的材质和合适的热处理技术。 适当选择合适的砂轮，采用具有间断工作面的砂轮，注意其修整和平衡，降低表层的热应力。2.2.3疲劳裂纹参照图2-3图2-3疲劳裂纹特征：应力为重复交变的裂纹源是齿轮表面的应力集中部位，如齿根的圆度、加工刀痕、材料缺陷的尾端较细，微观上主要是晶体扩展，其总趋势希望与主应力垂直。原因：交变应力水平过高，材料缺陷和应力集中源影响严重。预防措施：控制交变应力水平，避免设计时过小的齿根圆度，控制工艺要素，减少不允许的表面和材料内部缺陷。2.2.4轮辋和宽板裂纹图2图4图2图5图2-4轮辋裂纹图2-5宽板裂纹特点：轮缘裂纹通常发生在相邻齿之间的齿根。 辐条裂纹，既有凸缘裂纹向径向扩展的，也有辐条本身产生的，不一定扩展到凸缘。原因：轮辋断裂通常是齿轮齿根焊缝疲劳裂纹扩展的结果。 有齿轮部分的参残应力过高，促进疲劳裂纹的发展。 插入齿轮中，轮圈和轮圈的过盈量过大也会导致轮圈断裂。 辐条板的损伤多由辐条板的强度不足、应力集中和振动等因素引起。预防措施：轮辋和辐条的尺寸应满足强度要求。 应该减少或消除局部应力集中因素，例如切削刃痕、磨削和淬火裂纹、凸缘和辐条转移目标尖角等。 在结构设计上，采取减振、防振措施。 要镶齿轮，必须适当控制过盈量。第三章齿轮故障诊断方法与技术展望3.1齿轮故障诊断的方法在各种齿轮故障诊断方法中，基于振动检测的齿轮故障诊断方法具有测量简便、实时性强等优点，通过测量齿轮运行中产生的振动信号，是作为故障诊断重要信息源的理想齿轮传动状态在线运行监视工具。 振动检测和故障诊断的关键是如何从复杂振动信号中提取和分离与齿轮故障特征有关的微弱信息。 目前研究和应用的振动检测和故障诊断方法分为以下几类3.1.1时域法在状态监测和故障诊断过程中，我们常常直接利用振动时域信号进行分析并得出结果。 此在最简单且直接的方式中，尤其在信号中明显地包括谐波分量、周期分量或瞬时脉冲分量的情况下有效。 当然，该方法要求分析人员有较丰富的实际经验。 振动时域波形是时间历史的波动曲线。 根据测量中使用的传感器类型，曲线的大小表示位移、速度、加速度。 在进行波形分析时，主要采用以下特征量，也称为性指标(1)振动幅度值、振动幅度值包括峰值、有效值(均方根值)和平均幅度值，其中峰值区分为零峰值和峰值-峰值。(2)由于振动周期和频率、不同故障源通常会发生不同频率的机械振动，因此频率分析在故障诊断中占有非常重要的地位。(3)相位在实际应用中，相位主要用于比较不同振动运动之间的关系，或者决定一个部件相对于另一个部件的振动状况。 通常，由振动源产生的振动具有不同的相位。(4)其他指标为了有效表现复杂的振动，在实际应用中也需要利用若干示例性指标，例如偏度、顶度，有时利用若干无量纲指标完成诊断或进行趋势分析。 例如峰值因子、波形因子、脉冲因子、峰值因子、裕度因子等无量纲指标。 它们诊断能力从大到小依次是峰值系数-裕度系数-脉冲系数-峰值系数-波形系数。3.1.2频域法频谱分析已经在频域中描述了原始信号的分布状况，并且通常能够提供比时域波形更为直观的特征信息。 因此，频谱包括功率谱和振幅谱等作为故障诊断的依据被广泛使用。 谱可以通过傅立叶变换得到。 有趣的是，在机器的振动频谱中，虽然振动成分较大，但也有随着时间的推移而不变化的，不会威胁机器的正常运行。 相反，一些幅度较小，但增长较快的频率成分预示了故障的发生和发展，值得充分重视。3.1.3倒谱分析齿轮振动的频谱主要表现为啮合频率和谐波的边带，该边带的产生是由齿轮轴的调频齿轮轴的啮合频率产生的。 如果运行正常，则不会更改。 齿轮发生故障时，边带的数量和振幅发生变化。 如上所述，齿轮齿出现裂纹时，故障的齿轮在每次旋转时产生局部调制，齿轮箱结构复杂，因此可能同时存在多个调制现象，每个调制现象产生不同序列的等间隔周期频谱。 因为它们与调制波源相关，所以这些边带中含有丰富的故障诊断信息。 根据利用FFT进行频域变换的概念，频谱分析结果可以再次利用FFT技术变换成新的分析区域。 由此，形成了所谓倒谱分析。 倒谱具有检测、分离谱中周期性成分的能力，将原谱图中一族的边谱线简化为倒谱上的单根谱线，使谱中复杂的周期性成分易于清晰地识别，有利于故障诊断。 该方法的缺点是倒谱振幅大小对裂纹长度的发展不敏感，故障定位困难。3.1.4包络分析包络分析部提取附加给高频信号的低频信号，从时域来看，取时域波形的包络线轨迹。 在具备齿轮和轴承等零件的旋转机械的故障诊断中经常使用包络分析。 如果旋转机械的轴承零件有点腐蚀、剥落等损伤类的故障，随着设备的运转会产生周期性的脉冲冲击力，诱发设备各阶段的固有振动。 可以将冲击引起的高频固有振动作为研究对象，通过滤波从信号中分离，通过包络检波，提取与载置在其上的周期脉冲冲击力对应的包络信号，根据其强度和频度判断部件的损伤程度和部位。 该技术又称包络解调，又称早期故障检测法，是判断设备部件损伤类故障的有效手段。3.1.5小波分析方法小波变换作为一种新的数学理论和方法被广泛应用于许多领域。在振动信号分析中，小波变换是一种多分辨率的时频分析方法，有很多优点，为非稳态信号的分析提供了有价值的工具。 在实际应用中经常使用简单方便的二进制离散小波变换。 从多分辨率分析的角度，小波分解对应于一个带通滤波器和一个低通滤波器，每次分解时将原始信号分解为两个子信号，分别称为近似信号和细节信号，并且每个部分以一次间隔重采样。 当按照这种方式分解n次时，可以获得第n层(标度n上)的小波分解结果。小波变换常用于齿轮箱的运行状态和故障诊断分析(1)小波包能谱的监测(2)边带识别(3)奇异点的模型极大值以及零交叉点检测。随着小波分析技术的发展和计算机容量和计算能力的飞跃发展，最近开始将连续小波变换应用于故障诊断分析。 连续小波变换对于基本小波的选择是非常方便的，并且如果知道分量的特征则选择构成与其相对应的基本小波的那些小波并且经过连续小波变换使得这些分量的分布和大小变得清楚。小波变换是一种很好的信号分析工具，(1)小波变换分析的结果不如傅立叶变换那样直观，分析者需要在一定的小波分析理论的基础上进行判断，不宜用计算机自动分析处理结果。 (2)小波变换的核函数不是唯一确定的，需要在工程应用中实际选择。3.2齿轮故障诊断技术展望十多年来，由于科研人员的不懈努力，我国故障诊断技术飞跃发展，新技术、新方法不断涌现。 展望今后齿轮故障诊断技术的发展方向。 有几点意见认为是：(1)传统频谱分析技术越来越完善。(2)专家系统、神经网络、小波分析等新技术从实验室的研究阶段逐渐走向实用阶段。(3)目前，齿轮故障诊断技术集中于采用振动监测手段，预计未来几年铁谱技术、油样谱技术和声发射技术将在齿轮故障诊断中占据地位。(4)将企业管理的现代化综合计算机制图技术、计算机仿真技术、传感技术、显示技术等多项科学技术的虚拟